Microonde bas bruit de phase avec un laser

Micro-onde à bas bruit de phase avec un laser femto fibré pour les fontaines atomiques Y. Le Coq, J. Millo, S. Bize, J. Guéna, H. Jiang, M. Abgrall, E. M. L. English, M. E. Tobar*, A. Clairon, G. Santarelli SYRTE – Observatoire de Paris, France * University of Western Australia

Plan de l’exposé • • • Introduction et vue d’ensemble Lasers continus stabilisés sur cavité Stabilisation d’un peigne de fréquence Génération de signal micro-onde bas-bruit Interrogation de la fontaine atomique Conclusion et perspectives

Horloges atomiques But: délivrer un signal dont la fréquence est stable et universelle Les fréquences de Bohr d’un atome non perturbé sont a priori stable et universelle ε : décalage relatif de la fréquence exactitude: incertitude totale sur ε y(t) : fluctuations relatives de fréquence Principe d’une horloge atomique macroscopic oscillator output correction stabilité: propriétés statistiques de y(t), caractérisées à l’aide de la variance d’Allan y 2( ) (~quelle précision en moyennant pendant un temps ) atoms interrogation Opération séquentielle Bruit de projection quantique : Nombre fini d’atomes résolution limitée

Motivations • Horloges atomique en fontaine limitée par le bruit de projection quantique (QPN) à quelques 10 -14 @ 1 s • “effet Dick” nécessite µ-Onde < 10 -14 @ 1 s pour atteindre QPN • Oscillateurs saphir cryo (LHe) (~10 -15@1 s – 100 s) • Domaine optique : stabilitées meilleures ou équivalentes (laser stabilisés sur cavités ultra-stables) • Utilisation d’un laser femto pour relier l’optique au µ-onde • Femto Ti: Saph : – µOnde < 10 -15 @ 1 s (S. Diddams & coworkers) – Fiabilité • Femto à fibre Er : – Fiabilité – µOnde ~10 -14 @ 1 s (B. Lipphardt & coworkers) Compatible avec les horloges atomiques en fontaines

Constellation d’horloges atomiques au SYRTE H-maser H, µW Fontaine FO 1 Oscillateur Saphir Cryo. Macroscopic oscillator Asservissement de phase ~1000 s Horloge optique à réseau Hg, opt Cs, µW Fontaine FO 2 Fontaine transportable FOM Horloge optique à réseau Sr, opt Rb, Cs, µW

Vue d’ensemble de l’expérience Laser stabilisé sur cavité PDH Laser fibre Spectro. Ramsey Laser continu Stabilisation du peigne Peigne de fréquences optiques µ-Onde Asserv. Détection de la cadence de répétition Horloge en fontaine atomique

Plan de l’exposé • • • Introduction et vue d’ensemble Lasers continus stabilisés sur cavité Stabilisation d’un peigne de fréquence Génération de signal micro-onde bas-bruit Interrogation de la fontaine atomique Conclusion et perspectives

Lasers stabilisés sur cavités Systèmes lasers fiables (lasers fibrés) asservis sur cavité ultra-stable Fonctionnement continu • Cavités sous vide (~10 -8 mbar) • Finesse : ~800 000 • Forme optimisée pour minimiser la sensibilité accélérométrique • En ULE pour coef. d’exp. Th. • Boucliers thermiques (<1 n. K res. ) (cte ~ 4 j) • Sur table isolante des vibrations Sens. accél. (1/m. s-2) Géom. horizontale Géom. vertical Axe vertical ~5 x 10 -12 ~3. 5 x 10 -12 Axe horizontal ≤ 1 x 10 -11 ~1. 4 x 10 -11

Lasers stabilisés sur cavités Stabilité de fréquence (fractionnelle) Noir : • 2 cavités horizontales • ULE mirrors @ 1. 55 μm ~2 x 10 -15 @ 1 s Rouge : • 1 cav. horizontale et 1 verticale • miroirs en Fused Silica @ 1. 06 μm (bruit thermique) ~8 x 10 -16 @ 1 s ~7 x 10 -16 @ 4 s

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Technique de stabilisation du peigne PDH Laser Synthétiseur ÷N Laser stab. sur cavité Loop filter Peigne de fréq. optiques Puissance de pompe x 2 CEP non asservie fceo soustrait de fb Rep. rate detection Harmonic @ m. frep

Stabilisation du peigne fibré Laser femto fibré Erbium @ 1. 55 μm Circulateur filtre de Bragg ( 1 nm, bande passante) Larg. ~100 nm frep ~250 MHz ~30 m. W mesure de fceo 9 m. W Photodiode In. Ga. As rapide -27 d. Bm par harmonique Band pass filter Fibre hautement nonlinéaire ~ 9 or ~12 GHz Laser asservi sur cavité PDH Band pass ~400 MHz filter Laser @ 1. 55 μm 1 m. W Controle de polarization

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µOnde : Ti: Saph vs femto fibre PDH Laser @ 1. 55 μm Laser @ 1. 06 μm PDH Analyse: compteur/FFT ~9. 2 GHz laser fs Ti: Saph @ 830 nm Laser fs fibré Er @ 1. 55 µm lien fibré 30 m Noise cancelled LD frep = 770 MHz Facteur de division : 128 Facteur de division: 8 BW: ~120 k. Hz puissance pompe (modulation de l’alim. ) BW: ~400 k. Hz puissance pompe (AOM) S/N = 40 d. B dans 300 k. Hz RBW S/N = 25 d. B in 300 k. Hz RBW

µOnde : Ti: Saph vs femto fibre Stabilité de fréquence (fractionnelle) 10 -14 Compteur Π (sans temps morts), 400 Hz BW 2 x 10 -15 3. 6 x 10 -15 @ 1 s 10 -15

Outline • • • Introduction and overview Cavity stabilized lasers Frequency comb stabilization technique Low noise microwave generation Interrogation of the atomic fountain Conclusion and perspectives

OSC pour interroger la fontaine FO 2 Oscillateur Saphire Cryogénique Stabilité de la fontaine limitée par le bruit de projection quantique : 3. 5 x 10 -14 τ-1/2 Spectro. Ramsey 9. 192 GHz Synthèse de fréquence 11. 98 GHz Synthèse de fréquence 11. 932 GHz Horloge atomique fontaine (Cs)

Femto-fibre pour interroger la fontaine FO 2 Compt. Π , 10 Hz BW Compteur de freq. PDH Oscillateur Saphir Cryogénique Laser @ 1. 55 μm Clock signal 11. 932 GHz Laser femto-fibre Er 11. 932 GHz LD Spectro. Ramsey 9. 192 GHz Frequency synthesis Horloge atomique fontaine (Cs) 11. 98 GHz Frequency synthesis Lien fibré 300 m Noise cancelled 11. 932 GHz Corrections de fréquences ~106

Femto-fibre pour interroger la fontaine FO 2 Stabilité de fréquence (fractionnelle) 106 atomes/cp limité par le bruit de proj. Quantique Femto fibrefs vs oscillateur cryo Fontaine atomique 2. 9 x 10 -15 @ 1 s J. Millo et al. , Appl. Phys. Lett. , 94, 141105 (2009) Résultat identique quand l’oscillateur cryo pilote la fontaine

Conclusions et perspectives • µ-Onde bas bruit générée à partir de l’optique à ~3 x 10 -15@1 s – Système fiable et robuste (locké plusieurs jours) • Signal µ-Onde signal utilisé pour la fontaine atomique : bruit de proj. Quantique à 3. 5 x 10 -14 τ-1/2 Merci ! • Asservissement long terme sur H-Maser et TAI • Améliorer la conversion Optique → µOnde • Investigation d’une solution alternative pour le laser CW de référence “système tout fibré” Ø Kéfélian et al. Optics Letters 34, 914

µWave generation: Ti: Sapph vs Er fiber combs Phase noise -90 d. B rad 2/Hz @ 1 Hz

Réponse thermique de la cavité Hg Filtre passe bas du 1 er ordre Constante de temps de 4 jours Dérive de la cavité ~50 m. Hz/s soit ~2 x 10 -16/s Réalisé par : S. Bize, S. Dawkins, R. chicireanu, D. Magalhães, C. Mandache, Y. Le Coq

Résultats - Stabilité